Difusão iônica em filmes de Cr2O3 e sua relação com a taxa de oxidação do aço inoxidável austenítico AISI 304.

Abstract

O estudo da oxidação de aços inoxidáveis em temperaturas elevadas é um tema de fundamental importância científica e tecnológica, pois a maioria dos trabalhos sobre oxidação tem abordado aspectos macroscópicos por meio da análise da cinética de oxidação, sendo que poucos autores estudam os mecanismos de oxidação em escala atômica. Este trabalho fez um estudo termogravimétrico do aço inoxidável austenítico AISI 304 em uma termobalança SETARAM TGTDA92, com sensibilidade de :5μg, nas temperaturas de 750 e 800°C por 96 e 120 horas, respectivamente, em ar sintético, onde mostrou-se que a cinética de crescimento do filme de óxido segue uma lei parabólica confirmado por outros autores em temperaturas mais elevadas. A microestrutura e a composição química dos óxidos foram analisadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de energia dispersiva (EDS) e difração de raios-X de ângulo de incidência rasante (DRX). As análises químicas mostraram que o filme do óxido formado sobre o aço é majoritariamente de Cr2O3. De acordo com a teoria da oxidação de Wagner, o crescimento de um filme de óxido protetor que segue uma lei parabólica é controlada por difusão catiônica e aniônica, ou seja, do cromo e/ou do oxigênio, através do filme. Para verificar o papel da difusão iônica no crescimento do filme de crômia pela oxidação do aço austenitico AISI 304, foram realizadas medidas de coeficientes de difusão do cromo, do oxigênio e do ferro em filmes de óxidos, entre 750 e 900°C, em ar. A difusão do oxigênio foi realizada por meio do método da troca isotópica utilizando o isótopo 18O como traçador do oxigênio através de uma troca gás-sólido. As difusões do cromo e do ferro foram realizadas utilizando-se como traçadores os isótopos estáveis 54Cr e 57Fe, respectivamente. Filmes finos desses isótopos metálicos foram depositados sobre a superfície do aço previamente oxidada pela técnica de evaporação com feixe de elétrons, sob vácuo. Para todas as experiências de difusão, os perfis de difusão foram determinados por espectrometria de massa de íons secundários (SIMS). Os resultados mostram que as difusividades do oxigênio são maiores do que as difusividades do cromo nos filmes de óxidos formados sobre o aço austenitico AISI 304, nas mesmas condições experimentais. Tanto as difusividades do cromo quanto a do oxigênio em contornos de grãos são cerca de cinco ordens de grandeza maiores do que as correspondentes difusividades em volume, nas mesmas condições experimentais, o que mostra que os contornos de grãos são as vias preferenciais para a difusão iônica nos filmes de óxidos formados sobre o aço. Já a difusividade do ferro são maiores do que as difusividades do cromo nos filmes de óxidos formados sobre o aço austenitico AISI 304, nas mesmas condições experimentais. Isso indica que o óxido de cromo não é uma barreira física para a difusão do ferro, pois enquanto o filme é constituído de óxido de cromo não há difusão do ferro no filme por razões termodinâmicas, ou seja, a pressão de oxigênio na interface óxido/metal é muito baixa e dificulta a formação de óxido de ferro e a incorporação do íon ferro no filme.Utilizando as difusividades iônicas medidas neste trabalho, e de acordo com a teoria de Wagner, a taxa de oxidação do aço austenitico AISI 304 é controlada por difusão iônica verificando que a difusão do oxigênio é mais importante do que a difusão do cromo no processo de oxidação desse aço.